多胞方形管在斜向荷载下的吸能特性研究

:��i�����^ƺ�Z�`u�"��ky"http://www.syphsjp.cn/k/cailiao/" target="_blank" class="keylink">材料波纹管侧压的力学性能。另外，Kim[10]、Jensen[11]、Karagiozova和Jones[12]、Zhang Xiong[13-15]等针对轴向冲击荷载下的多胞结构的响应进行了研究，并得出了很多结论。Qi等[16]通过数值模拟的方法研究了单胞直管、单胞锥形管、多胞直管及多胞锥形管的压溃性能，结果表明多胞锥形管在斜向荷载下的抗压性能最好。

但是，对于多胞方形管在斜向荷载的吸能特性研究并不多。基于此，本文采用数值模拟软件模拟多胞方形管在不同角度压缩下的变形，揭示其变形模式，揭示吸能机理。

1 建立模型

图1所多胞方管的截面图，该方管边长120 mm，高度200mm，其他参数如表1所示。模型采用数值软件ABAQUS建立模型并进行分析。模型包括上下刚性板和试验件，试验件底部与下层刚性板采用捆绑接触，下层刚性板的位移和转角都是0；上层刚性板分别与水平面夹角为θ，分别是10°、20°和45°，并以速度V向下压缩，模型采用S4R壳单元来模拟试验件。材料弹性模量为210GPa，泊松比为0.33，密度取7 850kg/m3，屈服强度为345MPa。上层板与试验件的摩擦系数为0.3。

（a）T1 （b）T2

（c）T3 （d）T4

2 有限元模型验证

为验证有限元模型的准确性，对Zhang Xiong[2]文中的试验进行模拟，对比得到的曲线和压溃模式，并以来判定有限元模型的准确性。如图2所示，有限元得到曲线与试验得到的曲线相吻合，验证了数值模拟的准确性。

3 压溃力分析

吸能结构的平均压溃力（Pm）是衡量结构吸能性能的重要参数。通过以下公式计算：

[Pm=PδhH] （1）

式（1）中，H为140mm。

图3为多胞管的平均压溃力随倾角变化的曲线。T2、T3和T4的平均压溃力随倾角变化的趋势相近。当倾角等于10°时，T1的平均压溃力比轴向压缩下小45kN；T2、T3、T3的平均压溃力比轴向压缩分别下降4kn、25kn、39kN。当倾角10°≤θ≤30°时，T1的下降幅度最小，T2、T3和T3的下降趋势相似，分别下降了42%、34%和35%。当30°≤θ≤45°，多胞管的平均压溃力继续下降，并且逐渐接近某个定值。当θ=45°时，多胞管的平均压溃力相近，集中在120kN区域。

4 变形模式分析

根据相关文献得知，在轴向荷载下，多级管件的变形模式有3种：局部折叠、整体折叠和混合折叠。当倾角小于10°时，多胞管折叠模式为局部折叠。当倾角等于30°时，T1和T2的折叠模式为局部折叠；T3和T4除局部折叠以外，还出现了整体弯曲。当倾角等于45°时，T2、T3和T4均出现整体弯曲。当多胞管的折叠模式为局部折叠时，其平均压溃力最大；当多胞管的折叠模式为整体弯曲时，其平均压溃力最小。

5 结论

①多胞管在斜向压缩下的变形模式有3种，分别是局部折叠、整体弯曲及混合折叠模式。

②随着倾角的增加，多胞管的平均压溃力的变化趋势相近。当倾角越来越大时，吸能管的平均压溃力趋近于一个定值。

③多胞管的平均压溃力与压溃模式息息相关。其中整体弯曲的折叠模式对应吸能效果较差，局部折叠对应的吸能较好。在设计中应避免出现整体弯曲。

参考文献：

[1]Wierzbicki T，Abramowicz W. On the Crushing Mechanics of Thin-Walled Structures[J].Journal of Applied Mechanics，1983（4）：727-734.

[2]Zhang X，Zhang H. Energy absorption of multi-cell stub columns under axial compression[J].Thin-Walled Structures，2013（10）：156-163.

[3]Zhang X，Zhang H. Theoretical and numerical investigation on the crush resistance of rhombic and kagomehoneycombs[J].Composite Structures，2013（4）：143-152.

[4]Zhang X，Zhang H. Numerical and theoretical studies on energy absorption of three-panel angle elements[J].International Journal of Impact Engineering，2012（6）：23-40.

[5]Hong W，Jin F，Zhou J，et al. Quasi-static axial compression of triangular steel tubes[J].Thin-Walled Structures，2013（1）：10-17.

[6]Tran TN，Hou S，Xu H，et al. Theoretical prediction and crashworthiness optimization of multi-cell triangular tubes[J].Thin-Walled Structures，2014（82）：183-195.

[7]Rejab MRM，Cantwell WJ. mechanical behaviour of corrugated-core sandwich panels[J].Composites Part B Engineering，2013（3）：267-277.

[8]Gupta NK，Sekhon GS，Gupta PK. A study of lateral collapse of square and rectangular metallic tubes[J].Thin-Walled Structures，2001（9）：745-772.

[9]Abdewi EF，Sulaiman S，Hamouda AMS，et al. Quasi-static axial and lateral crushing of radial corrugated composite tubes[J].Steel Construction，2008（3）：320-332.

[10]Kim HS. New extruded multi-cell aluminum profile for maximum crash energy absorption and weight efficiency[J].Thin-Walled Structures，2002（4）：311-327.

[11]Ø. Jensen，Langseth M，Hopperstad OS. Experimental investigations on the behaviour of short to long square aluminium tubes subjected to axial loading[J].International Journal of Impact Engineering，2004（8-9）：973-1003.

[12]Karagiozova D，Jones N. Dynamic buckling of elastic–plastic square tubes under axial impact—II： structural response[J].International Journal of Impact Engineering，2004（2）：167-192.

[13]Zhang X，Huh H. Crushing analysis of polygonal columns and angle elements[J].International Journal of Impact Engineering，2010（4）：441-451.

[14]Zhang X，Zhang H. Energy absorption of multi-cell stub columns under axial compression[J].Thin-Walled Structures，2013（10）：156-163.

[15]Zhang X，Zhang H. Energy absorption limit of plates in thin-walled structures under compression[J].International Journal of Impact Engineering，2013（7）：81-98.

[16]Qi C，Yang S，Dong F. Crushing analysis and multiobjective crashworthiness optimization of tapered square tubes under oblique impact loading[J].Thin-Walled Structures，2012（4）：103-119.

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